Modellgestützte Proteinkristallisation – Protein Engineering
Die Kristallisation von Proteinen wird seit Jahrzehnten zur Strukturaufklärung eingesetzt. Neu hingegen ist die technische Proteinkristallisation zur Reinigung oder Endformulierung im industriellen Maßstab als Alternative zur Chromatographie. Da die molekularen Mechanismen der Proteinkristallisation bisher nur unvollständig beschrieben werden können, können Kristallisationsbedingungen nur aufwändig empirisch ermittelt werden. Trotz dieses hohen experimentellen Aufwands lassen sich jedoch viele technisch relevante Proteine häufig nicht kristallisieren.
In diesem Forschungsvorhaben soll untersucht werden, mit welchen Strategien eine technische Kristallisierbarkeit von Proteinen zielgerichtet durch ein modellgestütztes protein engineering ermöglicht werden kann. Hierzu sollen zum einen, basierend auf Vorarbeiten mit einem verwandten Enzym, einzelne Aminosäuren an den vermuteten Kristallkontaktstellen ausgetauscht werden, um Wechselwirkungen gezielt in analoger Weise zu verstärken. Zum anderen sollen die hierbei gewonnenen Erkenntnisse zu verallgemeinerbaren Prinzipien bei der Proteinkristallisation bei zwei bisher nicht kristallisierbaren Proteinen angewendet und damit evaluiert werden.
Die bisher übliche empirische Vorgehensweise zur Identifikation geeigneter Kristallisationsbedingungen von Proteinen soll so durch eine modellgestützte Herangehensweise ergänzt werden. In interdisziplinärer Zusammenarbeit werden dabei Methoden aus der Molekularbiologie und Bioverfahrenstechnik (dieses Promotionsvorhaben) mit Methoden aus der theoretischen Biophysik (Promotionsvorhaben von Daniel Bischoff) kombiniert.
Publikationen
- Walla B, Dietrich A-M, Brames E, Bischoff D, Fritzsche S, Castiglione K, Janowski R, Niessing D, Weuster-Botz D (2025): Application of a rational crystal contact engineering strategy on a PET-degrading cutinase. Bioengineering 12: 561.
- Walla B, Maslakova A, Bischoff D, Janowski R, Niessing D, Weuster-Botz D (2025): Rational introduction of electrostatic interactions at crystal contacts to enhance protein crystallization of an ene reductase. Biomolecules 15: 467.
- Mentges J, Bischoff D, Walla B, Weuster-Botz D (2024): In-situ microscopy with real-time image analysis enables online monitoring of technical protein crystallization kinetics in stirred crystallizers. Crystals 14: 1009.
- Bischoff D, Walla B, Wegner CH, Hubbuch J, Weuster-Botz D (2024): Modeling-based monitoring and control of protein crystallization in bioprocesses. In: Kwade A, Kampen I (Eds): Dispersity, structure and phase changes of proteins and bio agglomerates in biotechnological processes. Springer, Cham: 79-117.
- Wegner CH, Eming SM, Walla B, Bischoff D, Weuster-Botz D, Hubbuch J (2024): Spectroscopic insights into multi-phase protein crystallization in complex lysate using Raman spectroscopy and a particle-free bypass. Front Bioeng Biotech 12: 1397465.
- Walla B, Bischoff D, Corona Viramontes I, Montes Figueredo S, Weuster-Botz D (2023): Recent advances in the monitoring of protein crystallization processes in downstream processing. Crystals 13: 773.
- Bischoff D, Walla B, Weuster-Botz D (2022): Machine-learning based protein crystal detection for monitoring of crystallization processes enabled with large-scale synthetic data sets of photorealistic images. Analyt Bioanalyt Chem 414: 6379-6391.
- Walla B, Bischoff D, Janowski R, von den Eichen N, Niessing D, Weuster-Botz D (2021): Transfer of a rational crystal contact engineering strategy between diverse alcohol dehydrogenases. Crystals11: 975.
- Grob P, Huber M, Walla B, Hermann J, Janowski R, Niessing D, Hekmat D, Weuster-Botz D (2020) Crystal contact engineering enables efficient capture and purification of an oxidoreductase by technical crystallization. Biotechnol J 15: 2000010.